различных вариантах. Язык жизни, наша наследственная информация, определяется последовательностью четырех различных типов нуклеотидов. Можно сказать, что алфавит языка наследственности состоит всего из четырех букв.
Но книга жизни очень богата, типичная молекула ДНК хромосомы человека состоит примерно из пяти миллиардов частей или нуклеотидов. Наследственные программы всех других таксонов на Земле записаны тем же языком, тем же кодом. И этот единый для всех язык наследственности является одним из свидетельств происхождения всех организмов на Земле от единого предка, от общего для всех начала жизни, которое отделено от нас примерно четырьмя миллиардами лет.
Информация, содержавшаяся в любом послании, обычно измеряется в единицах, называемых битами - сокращение от binary digit, что значит «двоичный знак». Простейшие арифметические вычисления используют не десять разрядов (как делаем мы вследствие того, что по случайности эволюции обладаем десятью пальцами), а только два — 0 и 1. Так что на любой достаточно четкий вопрос может быть дан ответ в виде 0 или 1, «да» или «нет». Если бы наследственный код был описан на языке, имеющем не четыре, а две буквы, то число битов в молекуле ДНК равнялось бы удвоенному числу пар нуклеотидов. Но так как существует четыре типа нуклеотидов, число битов информации в ДНК в четыре раза больше числа пар нуклеотидов. Таким образом, если одна хромосома имеет пять миллиардов (5 • 109)) нуклеотидов, она содержит двадцать миллиардов (2 • 1010) битов информации. (Символ 109 указывает, что за единицей следует определенное число нулей — в данном случае девять.)
Как много информации содержится в двадцати миллиардах битов? Чему она будет соответствовать, если записать ее в обычной книге современным человеческим языком? Наши алфавитные языки, как правило, имеют от двадцати до сорока букв плюс одну-две дюжины цифр и знаков препинания; таким образом, для таких языков оказывается достаточно шестидесяти четырех независимых значков. Так как 26 равняется 64 (2 х 2 х 2 х 2 х 2 х 2), то не потребуется более шести битов, чтобы определить каждый значок. Мы можем представить себе ситуацию в виде «игры в двадцать вопросов», в которой каждый ответ соответствует одному биту. Предположим, что значок, который загадан, — это буква Н. Мы можем найти ее следующим образом.
Первый вопрос: Буква ли это (0) или же какой-то другой значок (1)?
Ответ: Буква (0).
Второй вопрос: Находится ли она в первой (0) или во второй (1) половине алфавита?
Ответ: В первой половине (0).
Третий вопрос: Из шестнадцати букв первой половины алфавита находится ли она в числе первых восьми (0) или вторых восьми (1) букв?
Ответ: Среди вторых восьми (1).
Четвертый вопрос: Среди вторых восьми букв находится ли она в первой половине (0) или во второй половине (1)?
Ответ: Во второй половине (1).
Пятый вопрос: Из этих букв принадлежит ли она к числу Л, М (0) или к Н, О (1)?
Ответ: К числу Н, О (1).
Шестой вопрос: Это Н (0) или О (1)?
Ответ: Это Н (0).
Определение буквы Н, таким образом, равносильно двоичному тексту 001110. Но нам потребовалось не двадцать вопросов, а лишь шесть, и именно в этом смысле было сказано, что всего шести битов достаточно, чтобы определить заданную букву. Поэтому двадцати миллиардам битов соответствует примерно три миллиарда букв (2 • 1010/6 ? 3 • 109). Если считать, что в среднем слове примерно шесть букв, то информация, содержащаяся в хромосоме человека, соответствует приблизительно пяти миллионам слов (3 • 109/6 = 5 • 108). Полагая, что на обычной странице примерно три сотни слов печатного текста, мы получаем цифру в два миллиона страниц (5 • 108/3 • 102 ? 2 • 106). Если средняя книга содержит пятьсот таких страниц, то информация, заключенная в одной-единственной хромосоме человека, соответствует четырем тысячам таких томов (2 • 106/5 • 102 = 4 • 103). Ясно теперь, что последовательность ступенек лестницы ДНК по объему заключенной в ней информации сравнима с гигантской библиотекой. Точно так же ясно, сколь богатая библиотека необходима, чтобы описать такой тщательно сконструированный и тонко функционирующий объект, каким является человеческое существо. Простые организмы обладают меньшей сложностью и меньшими возможностями и требуют поэтому меньшего объема генетической информации. Каждый из «Викингов» — космических аппаратов, опустившихся на Марс в 1976 году, имел в своих компьютерах заранее запрограммированные инструкции объемом в несколько миллионов битов. Таким образом, «Викинг» обладал несколько большей «генетической информацией», чем бактерия, хотя и значительно меньшей, чем водоросли.
График на рис. 1 показывает также минимальное количество наследственной информации в ДНК различных живых организмов. Видно, что величина эта у млекопитающих меньше, чем у людей: большинство млекопитающих имеют меньше наследственной информации, чем человек. [ 5 ] Внутри некоторых таксонов, например амфибий, количество наследственной информации сильно изменяется от вида к виду. Есть мнение, что значительная часть этой ДНК может быть излишней или нефункциональной. По этой причине график дает минимальное количество ДНК для каждого таксона.
Из графика видно, что примерно три миллиарда лет назад произошло поразительное увеличение информации в организмах, населявших Землю, а после этого рост наследственной информации шел весьма медленно. Мы видим также, что если для выживания человека необходимы десятки миллиардов (несколько раз по 1010) битов информации, то недостающее количество должно быть поставлено внегенетическими системами: скорость развития систем передачи наследственности столь мала, что не приходится искать источника подобной генетической информации в молекулах ДНК. Сырьем для эволюции служат мутации, наследуемые изменения в отдельных последовательностях нуклеотидов, которые создают наследственные программы в молекулах ДНК. Мутации вызываются радиоактивностью среды, космическими лучами или, как часто случается, возникают случайно — путем спонтанных изменений в нуклеотидах, которые с точки зрения статистики всегда могут иметь место. Иной раз самопроизвольно разрываются химические связи. До определенной степени мутации находятся под контролем самого организма. Различные организмы имеют способность устранять некоторые типы повреждений структуры своих ДНК. Существуют, например, молекулы, которые следят за повреждениями ДНК. Если обнаруживается грубое нарушение в системе ДНК, то оно вырезается с помощью своего рода молекулярных ножниц и ДНК возвращается к норме. Но такие исправления не являются, да и не могут быть совершенными: мутации нужны для эволюции. Однако мутация в молекуле ДНК хромосомы клетки кожи моего указательного пальца не оказывает никакого влияния на мою наследственность. Пальцы не участвуют, во всяком случае впрямую, в размножении вида. Важны мутации в гаметах, половых клетках — сперматозоидах (мужских) и яйцеклетках (женских), благодаря которым происходит половое размножение. Мутации, случайным образом оказавшиеся полезными, представляют собой рабочий материал для биологической эволюции — как, например, мутация меланина у некоторых бабочек, что изменяла их цвет из белого в черный. Такие бабочки обычно жили в Англии на березах, поэтому для них белая окраска — защитная. [ 6 ] Изменение цвета отнюдь не давало им преимущества: темные бабочки были отлично видны и поедались птицами, и потому такая мутация эволюцией отбраковывалась. Но когда в ходе индустриальной революции березы стали покрываться сажей, положение изменилось на обратное: только бабочки с меланиновыми мутациями могли выживать. Такая мутация закрепилась, и с течением времени почти все бабочки стали темными. Изменение было наследуемым — оно передавалось будущим поколениям. При этом иногда случаются и обратные мутации, идущие вразрез с меланиновым приспособлением, которые могли бы оказаться полезными, если бы загрязнение природы промышленностью Англии было однажды взято под контроль. Отметим, что во всех этих взаимодействиях между мутацией и естественным отбором ни одна бабочка не предпринимала сознательного усилия приспособиться к окружающей среде. Этот процесс хаотичен и случаен.
Такие крупные и сложные организмы, как люди, в среднем имеют примерно одну мутацию на десять гамет, то есть существует десятипроцентная вероятность, что каждый данный сперматозоид или яйцеклетка будет иметь новое и передающееся по наследству изменение в генетической программе, которая определяет собой облик нового поколения. Эти мутации происходят случайно и почти все без исключения
